固体光谱学-第三章-带间跃迁的吸收与发射光谱.ppt

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当固体从外界以某种形式吸收能量，固体中的电子将从

基态被激发到激发态，此时固体被激发。处于激发态的电子

会自发地或受激地从激发态跃迁到基态，可能将吸收的能量

以光的形式辐射出来，这一过程叫做辐射复合，即发光；体

系也可能以无辐射的形式将吸收的能量散发出来，这一过程

叫做无辐射复合。

3.1带间吸收光谱的实验规律

图3.1给出GaAs在近红外区的吸收光谱。在1.4eV附近吸收

曲线急剧地变化，形成所谓吸收边。

;强吸收区:?(ω)为104cm-1-106cm-1

指数可能为1/2，3/2，2

;;仔细研究吸收边的结构，会发现：

强吸收区，吸收系数?(ω)为104cm-1-106cm-1，?(ω)随光子能量的变化为

幂指数规律，其指数可能为1/2，3/2，2等。在这一吸收区将伴随着非平衡

载流子的产生和光电导的出现。在这根本吸收区的低能端，吸收系数很陡

峭地下降的界限，是半导体和绝体吸收光谱中最突出的一个特征，称之为

吸收边或吸收限。

3/2对应于禁戒的带间直接跃迁。因为：要考虑微扰哈萨克密顿量中的二次

项，尽管K=0时，Wif=0,但K?0时，Wif?0,且，Wi?K2或Wif=常数?(??-Eg)；

2对应于有声子参与的间接跃迁过程，吸收系数与温度密切相关，另一种是

杂质散射的实现的间接过程。

e指数吸收区,吸收系数为102cm-1左右,?(ω)随为e指数变化律。

弱吸收区，吸收系数?(ω)一般在102cm-1以下。

;

绝热近似：电子跃迁，原子核不动。

单电子近似：忽略电子之间的耦合，一个光子只和一个电子

发生作用。

图3.2表示直接跃迁示意图，以价带顶为原点，这一过程的

能量守恒条件为

;(1);一个吸收过程的吸收光谱可以表示为;;根据波矢和频率条件，在能量E—E+dE之间这种状态对

的数目，相当于K空间体积元中的状态数，根据K

空间态密度的定义，单位体积中E—E+dE间的联合态密度可

以表示为;;由此得吸收系数为

;;这样的跃迁称之为禁戒的直接跃迁。在固体中存在由偶极跃

迁跃矩阵元确定的宇称选择定那么〔见本章3.6节〕：

相同宇称状态间的电偶极跃迁被禁戒。

1.在K=0处，如果满足，那么K=0的电偶极

跃迁允许。

2.在K=0处，如果不满足，那么K=0的电

偶极跃迁被禁戒。

对上述两种情况：虽然对禁戒的情况，K=0的跃迁几率;;

一种可能是来自间接带结构半导体中，声子参与下的跃迁，

另一种可能是靠杂质散射实现间接跃迁。

如图3.３所示。

;0;

对于声子参与的间接跃迁吸收，由动量守恒确定的波

矢关系为

〔3.15〕

其中为声子波矢。对于Г点，那么

为导带底K值。

从能量角度看，光子既可以吸收一个声子也可以发射一个声子来实现间接跃迁，在有效质量和抛物线能带结构近似下，这两种过程的能量守恒条件分别为

(3.16);;;;原积分可以化为;;吸收声子;1.当，由

线段得到吸收边斜率

;2.当对应于吸收系数较高的线段，

然而比较式(3.18)和(3.19)可以得出，在低温下发射一个声子

的几率远大于吸收一个声子的几率。;

如图3.5所示，间接跃迁包括两个过程，体系首先吸收光子，

然后通过发射或吸收声子，使电子到达与其初态波矢不同的

导带中。;3.5杂质参与的间接跃迁

3.5.1掺杂对声子伴随间接跃迁的影响;;实验结果如图3.8所示，与上述理论计算结果不符。;3.5.2通过杂质散射的间接跃迁;由上述实验数据可以确定带隙收缩量。方